曾微波 王衛(wèi)平 王本林 殷曉飛

摘要：為合理開發(fā)、高效利用水資源，提高區(qū)域水利工程集群的調(diào)度效率，在單個(gè)閘站調(diào)度管理的基礎(chǔ)上，將區(qū)域空間上分散的閘站納入統(tǒng)一調(diào)度管理范圍，提出了“以圖管站，圖站聯(lián)動(dòng)”的水利工程集成管理模式。利用Web GIS技術(shù)整合公共地理框架數(shù)據(jù)體系“天地圖”及區(qū)域水利工程、河網(wǎng)、斷面等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，利用Unity3D建立閘站三維仿真場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了區(qū)域河網(wǎng)水利工程集成管理框架，為實(shí)現(xiàn)閘站集群統(tǒng)一調(diào)度提供了直觀決策參考，有效提高了閘站集群的調(diào)度效率和管理水平。

關(guān)鍵詞：Web GIS;Unity3D;水利工程;調(diào)度決策

中圖分類號(hào)：TV697.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著可視化技術(shù)、仿真技術(shù)的發(fā)展，對(duì)水利工程調(diào)度過(guò)程進(jìn)行仿真，為水利工程的調(diào)度管理開辟了新道路[1-2]，提高了水利工程運(yùn)行與調(diào)度的信息化水平。同時(shí)，通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)比分析多種調(diào)度方案的運(yùn)行效果，為水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)及管理人員提供了科學(xué)的決策支持[3-4]。水利工程的仿真調(diào)度極大提升了水利工程閘站調(diào)度管理的信息化水平，但這僅限于單個(gè)水利工程站點(diǎn)的調(diào)度管理，從全局角度對(duì)空間位置分散但隸屬同一管理范圍的水利工程集群進(jìn)行集成管理與統(tǒng)一調(diào)度所開展的研究和實(shí)施的應(yīng)用相對(duì)較少。為此，根據(jù)蘇南地區(qū)河網(wǎng)密布，水利工程量大、面廣的實(shí)際情況，分析了利用Web GIS結(jié)合Unity3D開展水利工程集成管理框架研究與應(yīng)用的可行性。通過(guò)獲取水利工程實(shí)時(shí)工況信息，與Unity3D場(chǎng)景對(duì)象進(jìn)行同步，真實(shí)反映水利工程調(diào)度過(guò)程，并基于Web GIS統(tǒng)籌管理各水利工程閘站，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域水利工程集群的集成管理與統(tǒng)一調(diào)度提供技術(shù)支持。

1 水利工程集成管理框架

本文論述的水利工程集成管理框架主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是以閘站三維仿真為基礎(chǔ)的單個(gè)閘站調(diào)度模擬，二是以Web GIS為基礎(chǔ)的閘站集群集成管理與統(tǒng)一調(diào)度。

1.1 基于Unity3D的閘站三維仿真

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的專業(yè)游戲引擎[5-6]，由完整的圖形渲染系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、編輯器系統(tǒng)、圖形用戶接口、著色系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成。Unity3D支持3DS Max、Maya、SketchUp等三維建模軟件的模型導(dǎo)入，可以方便地構(gòu)建三維虛擬場(chǎng)景。集成的MonoDevel叩腳本編輯環(huán)境，允許開發(fā)人員編寫C#和Java Script兩種腳本訪問和控制游戲場(chǎng)景對(duì)象。良好的跨平臺(tái)特性可以將程序和場(chǎng)景打包，并發(fā)布到不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)。綜合考慮水利工程仿真調(diào)度需求以及Unity3D平臺(tái)的諸多特性，采用Unity3D構(gòu)建閘站三維模型實(shí)現(xiàn)閘站仿真及閘站調(diào)度的過(guò)程模擬。

導(dǎo)入由3DS Max構(gòu)建的閘站場(chǎng)景精細(xì)三維模型，并為閘站場(chǎng)景中各主要設(shè)備模型的運(yùn)行動(dòng)作編寫控制腳本。通過(guò)設(shè)計(jì)閘站主控程序與閘站三維仿真場(chǎng)景的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信接口，為仿真場(chǎng)景提供實(shí)時(shí)工況和實(shí)時(shí)水情信息訪問通道?；谶@樣的思路，閘站主控程序在進(jìn)行閘門啟閉、水泵啟停等調(diào)度操作時(shí)，可通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問接口為閘站場(chǎng)景的過(guò)程模擬提供實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù);閘站仿真場(chǎng)景通過(guò)數(shù)據(jù)訪問接口獲取閘站主要設(shè)備的實(shí)時(shí)工況及水情數(shù)據(jù)，并通過(guò)腳本控制場(chǎng)景對(duì)象，展現(xiàn)閘站調(diào)度過(guò)程和閘站內(nèi)外河水位變化。

1.2 基于Web GIS的閘站集成管理

三維仿真解決了單個(gè)閘站調(diào)度過(guò)程的仿真模擬，在集成管理框架中引入Web GIS則為實(shí)現(xiàn)“以圖管站”提供了有效的技術(shù)手段。

（1）水利基礎(chǔ)地理與專題數(shù)據(jù)服務(wù)。通過(guò)WebGIS可將特定地理空間范圍或水利片區(qū)內(nèi)分散的水利工程集成在一張基礎(chǔ)底圖上進(jìn)行統(tǒng)一管理。實(shí)際應(yīng)用中，基礎(chǔ)底圖可采取影像地圖服務(wù)+專題地圖服務(wù)的組合。影像地圖服務(wù)可采用國(guó)家測(cè)繪地理信息局建設(shè)的國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)“天地圖”[7]。“天地圖”運(yùn)行于互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等公共網(wǎng)絡(luò)，以門戶網(wǎng)站和服務(wù)接口兩種形式向公眾、企業(yè)、專業(yè)部門、政府部門提供24h不間斷的地理信息服務(wù)。同時(shí)，“天地圖，給開發(fā)者提供了免費(fèi)且功能強(qiáng)大的Java ScriptAPI，開發(fā)者可利用“天地圖”API調(diào)用基礎(chǔ)地理信息服務(wù)，包括“天地圖”服務(wù)提供的影像圖、地形圖等[8]。將“天地圖”提供的影像圖作為基礎(chǔ)，參照國(guó)家基礎(chǔ)地理信息建設(shè)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合多站集成管理與統(tǒng)一調(diào)度的需要，建立了除基礎(chǔ)地理信息之外的其他專題信息，內(nèi)容主要包括河道、河段、河道中心線、斷面、節(jié)點(diǎn)、流向、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、泵站、水閘等。這些信息以專題地圖服務(wù)的形式與“天地圖”影像地圖服務(wù)疊加，為集成管理框架提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)。

（2）閘站工況多尺度SVG符號(hào)表達(dá)。SVG即可升級(jí)矢量圖形，是由World Wide Web Consortium（W3C）組織制定的一種開放標(biāo)準(zhǔn)的文本式矢量圖形規(guī)范。SVG是一種使用XML來(lái)描述二維圖像的語(yǔ)言，也是一種全新的矢量圖形規(guī)范[9]。SVG提供超鏈接功能并定義了豐富的事件。通過(guò)腳本編程，訪問SVG DOM的元素和屬性即可響應(yīng)特定的事件，使SVG具有動(dòng)態(tài)交互的性能。相比于傳統(tǒng)的地圖符號(hào)，基于SVG的地圖符號(hào)具有可讀性強(qiáng)、符號(hào)清晰、加載速度快、網(wǎng)絡(luò)傳輸消耗小等特點(diǎn)[10-12]。

不同比例尺的閘站運(yùn)行狀態(tài)信息可通過(guò)XML文件進(jìn)行配置。通過(guò)定義不同尺度下閘站工況的XML格式，結(jié)合實(shí)時(shí)工況和水情訪問接口獲取的閘站工況，在Web GIS地圖上利用動(dòng)態(tài)圖層對(duì)閘站基本信息和實(shí)時(shí)工況進(jìn)行SVG符號(hào)化表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)在一張底圖上縱覽管轄范圍內(nèi)所有閘站的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。閘站工況多尺度SVG符號(hào)表達(dá)效果見圖1～圖3。

在1：15000的小比例尺下，閘站的運(yùn)行簡(jiǎn)況只顯示閘站內(nèi)外河水位及附屬閘控設(shè)備運(yùn)行情況;比例尺放大到1：10000，閘站運(yùn)行工況信息則包含了閘站內(nèi)外河水位、主控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及主控設(shè)備的電流、電壓、功率及閘門開度等信息;當(dāng)比例尺放大到1：5000時(shí)，閘站運(yùn)行工況除顯示上述信息外，還加載視頻探頭、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和設(shè)備報(bào)警狀態(tài)等信息。

基于SVG符號(hào)的多尺度閘站工況表達(dá)可取代傳統(tǒng)水利工程網(wǎng)絡(luò)地圖中靜態(tài)符號(hào)的表達(dá)方式，使符號(hào)與所表征的地理對(duì)象建立實(shí)時(shí)屬性關(guān)聯(lián)，為特定區(qū)域閘站集群的統(tǒng)一管理提供了一種新的途徑。

1.3 系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)

考慮到系統(tǒng)安全及實(shí)時(shí)調(diào)度的需要，集成管理框架基于客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按照單站控制與集成管理相結(jié)合的模式構(gòu)建單站控制系統(tǒng)和集成管理系統(tǒng)。單站控制系統(tǒng)集成閘站三維仿真和閘站調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閘站調(diào)度操作及調(diào)度過(guò)程模擬，并通過(guò)實(shí)時(shí)工況與水情數(shù)據(jù)接口更新實(shí)時(shí)工況。集成管理系統(tǒng)一方面通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置的ArcGIS MapControl組件加載區(qū)域影像地圖服務(wù)，并疊加SVG符號(hào)實(shí)現(xiàn)區(qū)域閘站集群的統(tǒng)一管理;另一方面以區(qū)域河網(wǎng)劃分的河段數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)工況、水情信息為基礎(chǔ)，通過(guò)河段水質(zhì)的符號(hào)渲染及水量過(guò)程線模擬區(qū)域河網(wǎng)的水質(zhì)、水量變化過(guò)程，從而為區(qū)域河網(wǎng)水資源調(diào)度決策提供參考。

實(shí)際部署時(shí)，將集成管理系統(tǒng)和單站控制系統(tǒng)分別部署在調(diào)度管理中心及所屬各閘站。集成管理系統(tǒng)可通過(guò)SVG符號(hào)綁定各單站控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度監(jiān)控，各閘站通過(guò)單站控制系統(tǒng)進(jìn)行閘站日常調(diào)度，系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和水利工程專題數(shù)據(jù)疊加“天地圖”影像為閘站集成管理框架提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)，單站調(diào)度控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)工況與水情數(shù)據(jù)接口更新實(shí)時(shí)工況。實(shí)時(shí)工況與水情數(shù)據(jù)接口為單個(gè)閘站的調(diào)度過(guò)程模擬與地圖中SVG閘站符號(hào)渲染提供工況信息，同時(shí)為區(qū)域河網(wǎng)的水量和水質(zhì)過(guò)程模擬提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2 水利工程閘站仿真

2.1 閘站三維仿真

（1）閘站建模。閘站建模可以利用Unity3D的建模功能實(shí)現(xiàn)，也可以導(dǎo)入由Maya、SketchUp、3DS Max等三維模型制作軟件制作的模型。本文以閘站工程開工建設(shè)的CAD圖件為基礎(chǔ)，利用3DS Max進(jìn)行閘站和附屬設(shè)備精細(xì)建模，并將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的閘站實(shí)體外墻、附屬設(shè)施外立面等照片作為場(chǎng)景對(duì)象的紋理貼圖。建模完成后，將模型整體導(dǎo)出成FBX格式文件，連同紋理貼圖一并導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D場(chǎng)景中，導(dǎo)入后的閘站三維場(chǎng)景見圖5。

（2）仿真模擬。閘站的仿真包括場(chǎng)景控制、閘站設(shè)備運(yùn)行模擬、內(nèi)外河水位模擬?？紤]閘站的不同類型、規(guī)模及閘站內(nèi)外河過(guò)水的不同特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了幾種場(chǎng)景控制腳本，包括場(chǎng)景平移、場(chǎng)景旋轉(zhuǎn)和視域控制。除場(chǎng)景控制外，閘站主要設(shè)備需要通過(guò)編寫相應(yīng)的腳本進(jìn)行動(dòng)作控制以模擬閘門的升降、旋轉(zhuǎn)，水泵的啟停等。內(nèi)外河水面采用Unity3D自帶的水面插件制作，閘門開閘放水采用Unity3D粒子系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

（3）場(chǎng)景發(fā)布。Unity3D支持多種平臺(tái)的場(chǎng)景發(fā)布，包括Mac OS、BlackBerry、Windows、Android及瀏覽器發(fā)布等。考慮到與閘站調(diào)度控制系統(tǒng)的集成部署，將閘站場(chǎng)景以瀏覽器模式進(jìn)行發(fā)布，發(fā)布后的場(chǎng)景包含一個(gè)場(chǎng)景訪問的html頁(yè)面和打包的場(chǎng)景文件。

2.2 Web GIS與Unity3D一體化

Web GIS地圖以動(dòng)態(tài)圖層的方式將所有閘站的實(shí)時(shí)狀態(tài)通過(guò)SVG符號(hào)進(jìn)行渲染，每個(gè)SVG符號(hào)可通過(guò)閘站代碼與閘站調(diào)度控制系統(tǒng)建立關(guān)聯(lián)，單個(gè)閘站的調(diào)度控制系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置.Net Framework瀏覽器組件和Unity3D的WebPlayer插件加載閘站三維場(chǎng)景進(jìn)行閘站調(diào)度控制與過(guò)程模擬。Web GIS地圖顯示了管理范圍內(nèi)所有水利工程運(yùn)行的工況摘要和當(dāng)前河網(wǎng)實(shí)時(shí)水情信息。單擊Web GIS地圖中的SVG閘站符號(hào)，可加載對(duì)應(yīng)閘站的詳細(xì)工況和調(diào)度信息，如主要設(shè)備電流、電壓、功率，以及水位過(guò)程數(shù)據(jù)、水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、內(nèi)外河水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和閘站預(yù)警信息等;雙擊閘站SVG符號(hào)，可進(jìn)入集成了仿真場(chǎng)景的閘站調(diào)度控制系統(tǒng)。

3 閘站調(diào)度過(guò)程模擬與輔助決策

閘站工況格式可基于XML進(jìn)行自定義。閘站模型導(dǎo)入后，在Unity3D自帶的腳本編輯環(huán)境MonoDevelop中，利用C#腳本對(duì)場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行腳本編程，以實(shí)現(xiàn)閘站設(shè)備的狀態(tài)反饋。閘站設(shè)備的調(diào)度過(guò)程模擬主要包括閘門啟閉、水泵啟停以及內(nèi)外河實(shí)時(shí)水位變化等。閘站三維場(chǎng)景通過(guò)實(shí)時(shí)工況與水情數(shù)據(jù)接口讀取由閘站控制程序更新的工況信息，利用Unity3D協(xié)程技術(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并調(diào)用場(chǎng)景中編寫好的閘站對(duì)象控制腳本同步場(chǎng)景對(duì)象的空間坐標(biāo)和歐拉角及其他狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)閘站設(shè)備的調(diào)度過(guò)程模擬。

Web GIS與Unity3D一體化集成主要目的是實(shí)現(xiàn)區(qū)域水利工程集群的集成管理與統(tǒng)一調(diào)度，并利用Web GIS反饋調(diào)度結(jié)果以輔助調(diào)度決策。一方面，區(qū)域內(nèi)單站調(diào)度以三維場(chǎng)景為基礎(chǔ)，調(diào)度過(guò)程在場(chǎng)景中進(jìn)行仿真模擬，方便調(diào)度執(zhí)行者全方位實(shí)時(shí)觀察調(diào)度執(zhí)行情況;另一方面，利用Web GIS地圖，為水利工程調(diào)度提供實(shí)時(shí)水情信息，從而獲得閘站調(diào)度在特定區(qū)域范圍的調(diào)度效果，如區(qū)域河網(wǎng)的實(shí)時(shí)水質(zhì)、實(shí)時(shí)水位等，為輔助閘站調(diào)度決策提供參考。

區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)水量變化過(guò)程是進(jìn)行水利工程調(diào)度決策的主要依據(jù)。傳統(tǒng)的水質(zhì)水量變化過(guò)程一般采用過(guò)程線表達(dá)，為更直觀、清晰地展示水利工程調(diào)度效果，將高分辨率遙感影像切片地圖服務(wù)作為底圖，利用Web GIS符號(hào)模擬水利工程調(diào)度對(duì)區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生的影響。

（1）水質(zhì)過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬。對(duì)于一維河網(wǎng)，首先，假定同一斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)因子濃度值相同，結(jié)合河段與斷面的空間關(guān)系，用斷面數(shù)據(jù)對(duì)河段進(jìn)行打斷處理，兩個(gè)概化斷面之間形成一段模擬河段作為水質(zhì)渲染單元;然后，依據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定區(qū)域河網(wǎng)各主要水質(zhì)監(jiān)測(cè)因子的濃度所對(duì)應(yīng)的顏色標(biāo)準(zhǔn);再次，根據(jù)河流流向，自動(dòng)匹配各河段起止斷面顏色，并確定起止斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)因子濃度對(duì)應(yīng)的顏色值;最后，采用線性內(nèi)插算法對(duì)斷面間的河段填充顏色進(jìn)行插值處理，實(shí)現(xiàn)相鄰斷面間水質(zhì)的連續(xù)變化。水質(zhì)模擬實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，依據(jù)斷面編號(hào)提取某個(gè)時(shí)間點(diǎn)相鄰斷面各自的水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過(guò)重寫SimpleFillSymbol類，自動(dòng)配置開始斷面、結(jié)束斷面的顏色值，對(duì)相鄰斷面構(gòu)成的河段進(jìn)行漸變渲染，從而實(shí)現(xiàn)某個(gè)時(shí)點(diǎn)河段的水質(zhì)表達(dá)。

按照上述思路，Web GIS客戶端通過(guò)請(qǐng)求同一時(shí)點(diǎn)所有監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)遙測(cè)數(shù)據(jù)，并利用不同時(shí)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)刷新河網(wǎng)所有河段的填充符號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。水質(zhì)過(guò)程連續(xù)變化的渲染效果見圖6～圖8，其中水質(zhì)監(jiān)測(cè)因子濃度上限和下限對(duì)應(yīng)的RGB值，采用過(guò)渡色帶的方式表征。

（2）閘站調(diào)度輔助決策。區(qū)域河網(wǎng)閘站集群的調(diào)度輔助決策主要依據(jù)區(qū)域河網(wǎng)實(shí)時(shí)水情及各閘站實(shí)時(shí)工況。集成管理框架通過(guò)對(duì)河網(wǎng)閘站集群的統(tǒng)一管理及區(qū)域河網(wǎng)水資源的動(dòng)態(tài)模擬為閘站集群的統(tǒng)一調(diào)度提供直觀的決策參考。通過(guò)集成管理框架，可獲得區(qū)域河網(wǎng)閘站調(diào)度的實(shí)時(shí)反饋，這種反饋主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是閘站三維場(chǎng)景中水泵、閘門等主要設(shè)備的工況和內(nèi)外河水位的變化過(guò)程仿真模擬;二是河網(wǎng)水質(zhì)變化過(guò)程的Web GIS符號(hào)動(dòng)態(tài)渲染。集成管理框架還可將區(qū)域河網(wǎng)各遙測(cè)站點(diǎn)的流量及水位變化過(guò)程信息通過(guò)實(shí)時(shí)水情與工況數(shù)據(jù)接口進(jìn)行展示，為區(qū)域河網(wǎng)閘站集群的統(tǒng)一調(diào)度提供決策依據(jù)，達(dá)到“圖站聯(lián)動(dòng)”的調(diào)度效果。

4 結(jié)語(yǔ)

利用Unity3D三維仿真技術(shù)與閘站調(diào)度控制系統(tǒng)進(jìn)行集成應(yīng)用，解決了以往單純依靠水利工程自動(dòng)控制系統(tǒng)或現(xiàn)地操作進(jìn)行調(diào)度帶來(lái)的不便，同時(shí)為閘站調(diào)度的過(guò)程控制提供了直觀依據(jù)?；赪eb GIS技術(shù)將區(qū)域地理空間上分散的閘站進(jìn)行集中管理和統(tǒng)一調(diào)度，通過(guò)閘站調(diào)度的過(guò)程模擬、水量變化過(guò)程的實(shí)時(shí)展現(xiàn)、河網(wǎng)水質(zhì)的動(dòng)態(tài)模擬全方位展現(xiàn)閘站調(diào)度對(duì)區(qū)域河網(wǎng)水資源產(chǎn)生的影響，為閘站集群的統(tǒng)一調(diào)度提供決策參考。

通過(guò)融合Web GIS技術(shù)Unity3 D技術(shù)及閘站調(diào)度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并完成了水利工程集成管理框架，并成功應(yīng)用于蘇南某地區(qū)閘站集群的統(tǒng)一調(diào)度與管理實(shí)踐。由此可見，將Web GIS、Unity3D技術(shù)與閘站調(diào)度控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水利工程集群集成管理與統(tǒng)一調(diào)度是切實(shí)可行的。

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